4D生物打印輕松解鎖單一復(fù)合水凝膠復(fù)雜動態(tài)變形

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在組織工程領(lǐng)域， 傳統(tǒng)3D生物打印雖能構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜的體外組織，卻難以模擬天然組織的動態(tài)變化過程。4D生物打印應(yīng)運(yùn)而生，其引入“時(shí)間”維度，使打印結(jié)構(gòu)能夠在外部刺激（如濕度、溫度等）下發(fā)生預(yù)設(shè)的形狀或功能變化。然而，現(xiàn)有4D打印技術(shù)面臨兩大關(guān)鍵挑戰(zhàn)：智能生物墨水種類有限以及打印路徑設(shè)計(jì)復(fù)雜，這嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，近期，香港中文大學(xué)李中教授和段崇智教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型智能復(fù)合水凝膠（MX/GG）。該水凝膠由明膠（Gelatin）、甲基丙烯酰化明膠（GelMA）和二維過渡金屬碳化物（MXene）復(fù)合而成，具備優(yōu)異的可打印性、形狀變形能力和細(xì)胞負(fù)載能力。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種簡單高效的4D打印策略：通過調(diào)控結(jié)構(gòu)中不同形變區(qū)域的厚度，在單次紫外（UV）光照射后即可于不同空間位置實(shí)現(xiàn)差異化的交聯(lián)梯度，從而成功實(shí)現(xiàn)了濕度驅(qū)動的單向和雙向自彎曲動態(tài)變形。

相關(guān)研究成果以“Facile Single-nanocomposite 4D Bioprinting of Dynamic Hydrogel Constructs with Thickness-Controlled Gradient”為題已經(jīng)發(fā)表在Wiley創(chuàng)辦的期刊《Advanced Science》上。

圖1 MX/GG智能水凝膠4D生物打印實(shí)現(xiàn)程序化3D形變的示意圖（H-XLR：高交聯(lián)區(qū)；L-XLR：低交聯(lián)區(qū)）

研究內(nèi)容：
材料特性： MXene的摻入改變了GG水凝膠的多項(xiàng)性能（圖1）。測試結(jié)果表明，MXene的添加增強(qiáng)了GG水凝膠在330–1000 nm波長范圍內(nèi)的光吸收能力。同時(shí)，MX/GG水凝膠的儲能模量和楊氏模量均隨MXene濃度增加而降低。MXene含量的提升還增大了水凝膠的溶脹率，其中含5.0 wt% MXene的MX/GG水凝膠（5.0MX/GG）吸水能力顯著高于含1.0 wt% MXene的樣品（1.0MX/GG）。所有MX/GG水凝膠均呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，且其孔徑與孔隙率在較高M(jìn)Xene負(fù)載量下均有所增大。此外，MXene作為一種具有優(yōu)異導(dǎo)電性的二維納米材料，其引入顯著提高了復(fù)合水凝膠的電導(dǎo)率。綜合以上結(jié)果，證實(shí)了MX/GG水凝膠具有良好的光吸收性能、高孔隙率以及優(yōu)異的導(dǎo)電性。

圖2 MX/GG的基本性能表征。(a) 光吸收譜；(b) 儲能模量；(c) 楊氏模量；(d) 水凝膠溶脹；(e) 水凝膠表面形態(tài)；(f) 孔徑；(g) 孔隙率；(h) 點(diǎn)亮LED； (i) 不同MXene濃度下水凝膠的電導(dǎo)率

厚度調(diào)制的彎曲行為：為探究 MX/GG 水凝膠作為 4D 打印墨水的潛力，將 MX/GG 水凝膠（1.0 mg/ml MXene濃度）打印成厚度從 0.25 mm 梯度增加至 1.0 mm的條帶（圖 3）。浸入去離子水后，不同厚度的條帶表現(xiàn)出截然不同的彎曲程度。值得注意的是，厚度為 0.25 mm 和 0.5 mm 的條帶其自彎曲方向與 0.75 mm 和 1.0 mm 厚條帶相反。橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像及機(jī)械性能梯度分析證實(shí)了材料內(nèi)部存在微觀結(jié)構(gòu)梯度，以及彈性模量的漸變分布，表明H-XLR和L-XLR的形成。分析表明，不同厚度條帶中 L-XLR 與 H-XLR 的相對體積存在差異，因此水刺激誘導(dǎo)的彎曲方向取決于條帶結(jié)構(gòu)中 L-XLR 與 H-XLR 的體積比例。為驗(yàn)證這一由 H-XLR/L-XLR比例驅(qū)動的彎曲機(jī)制，ABAQUS 有限元分析（FEA）軟件被用于模擬不同比例下條帶的自變形行為，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測高度吻合。這些實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果共同表明，僅通過調(diào)整條帶厚度，在單次 UV 曝光條件下即可實(shí)現(xiàn)其多向彎曲。這種基于厚度調(diào)控的便捷方法為高效 4D 打印復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)提供了新途徑。

圖3 4D打印1.0MX/GG水凝膠條帶的厚度（t）依賴性自彎曲行為及其H-XLR/L-XLR比例驅(qū)動機(jī)制。 (a) 不同厚度下的4D打印條帶；(b) 水刺激觸發(fā)自彎曲后的條帶（比例尺：5 mm）；(c) 不同厚度條帶彎曲角度的定量分析；(d) 不同厚度條帶橫截面的SEM圖像；(e) 不同厚度條帶橫截面彈性模量分布圖；(f) t ≤ 0.5 mm條帶的FEA雙層模型；(g, h) 厚度為 (g) 0.25 mm 和 (h) 0.5 mm條帶的模擬彎曲形態(tài)；(i) t ≥ 0.75 mm條帶的FEA雙層模型；(j, k) 厚度為 (j) 0.75 mm 和 (k) 1.0 mm條帶的模擬彎曲形態(tài)

4D打印復(fù)雜單向與雙向形變結(jié)構(gòu)體： 基于實(shí)驗(yàn)和FEA結(jié)果，我們建立了MX/GG智能水凝膠的4D打印工作流程。隨后，通過打印均勻厚度的平面圖案，成功制備了具有單向彎曲特性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包括三臂夾持器、四臂夾持器和五瓣花朵結(jié)構(gòu)（圖4）。然而，天然組織通常展現(xiàn)出具有多向曲率的復(fù)雜形狀變形。為展示該策略的多功能性，我們通過編碼具有不同厚度的多個(gè)變形域，打印了一系列仿生結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)在單次UV曝光下形成獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)梯度，實(shí)現(xiàn)了一系列雙曲率結(jié)構(gòu)，包括珊瑚蟲狀結(jié)構(gòu)、千足蟲狀結(jié)構(gòu)、蟹狀結(jié)構(gòu)和蝎子狀結(jié)構(gòu) （圖5）。這些發(fā)現(xiàn)證明，該4D打印策略能夠有效將軟生物材料編程為復(fù)雜的動態(tài)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水刺激下的雙向自彎曲，從而克服了傳統(tǒng)制造的難題。

圖4 濕度響應(yīng)性單向自彎曲結(jié)構(gòu)的4D打印。 (a) 4D打印過程示意圖；(b-d) 不同單向自彎曲結(jié)構(gòu)的4D打印結(jié)果：從左至右依次展示其CAD設(shè)計(jì)圖、FEA模型、模擬彎曲形態(tài)、打印圖案及變形后的3D結(jié)構(gòu)照片；包括 (b) 三臂夾持器、(c) 四臂夾持器 和 (d) 五瓣花朵（比例尺：5 mm）

圖5 濕度響應(yīng)性雙向自彎曲仿生結(jié)構(gòu)的4D打印。(a-d) 仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及變形表征：從左至右依次為各結(jié)構(gòu)的CAD模型，F(xiàn)EA模擬變形結(jié)果，打印圖案，及變形后的三維結(jié)構(gòu)照片，包括：(a) 珊瑚蟲狀結(jié)構(gòu)；(b) 千足蟲狀結(jié)構(gòu)；(c) 蟹狀結(jié)構(gòu)；(d) 蝎狀結(jié)構(gòu)（比例尺：5 mm）

生物應(yīng)用驗(yàn)證： 作為概念驗(yàn)證，我們采用4D生物打印技術(shù)制備了負(fù)載神經(jīng)細(xì)胞（PC12細(xì)胞）和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）的自彎曲條帶結(jié)構(gòu)（圖6）。負(fù)載PC12細(xì)胞的條帶在培養(yǎng)基中自發(fā)彎曲形成3D曲面結(jié)構(gòu)，細(xì)胞在其中均勻分布。經(jīng)過7天和14天的分化培養(yǎng)，PC12細(xì)胞展現(xiàn)出漸進(jìn)性的神經(jīng)突生長，其長度和分支密度顯著增加。這一結(jié)果證實(shí)了該水凝膠優(yōu)異的4D生物打印適用性及其支持神經(jīng)細(xì)胞分化的潛力，為構(gòu)建可編程自折疊的神經(jīng)化組織提供了可能。此外，研究團(tuán)隊(duì)探索了利用HUVEC細(xì)胞模型構(gòu)建動態(tài)血管化組織的可行性。在14天的培養(yǎng)期內(nèi)，負(fù)載HUVECs的水凝膠條帶維持一定的曲率。免疫熒光染色結(jié)果顯示，細(xì)胞形態(tài)由圓形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殇佌範(fàn)顟B(tài)，并伴隨VE-cadherin表達(dá)上調(diào)；細(xì)胞最終自組裝形成血管樣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，充分凸顯了MX/GG水凝膠在模擬血管組織形態(tài)發(fā)生方面的潛力。

圖6 4D生物打印負(fù)載細(xì)胞的自彎曲結(jié)構(gòu)及其細(xì)胞行為表征。(a-g) 負(fù)載PC12神經(jīng)細(xì)胞的1.0MX/GG水凝膠條帶：(a) 4D生物打印條帶在培養(yǎng)基中自發(fā)彎曲；(b) 彎曲條帶橫截面的細(xì)胞分布熒光圖像；(c) (b)圖虛線框區(qū)域的高倍放大圖，顯示條帶內(nèi)的PC12細(xì)胞；(d, e) 培養(yǎng)(d)7天和(e)14天后，彎曲條帶中分化PC12細(xì)胞的熒光圖像；(f, g) 相應(yīng)的(f)平均神經(jīng)突長度和(g)神經(jīng)突數(shù)量定量分析。(h-j) 負(fù)載HUVECs的1.0MX/GG水凝膠條帶：(h) 條帶在14天培養(yǎng)期內(nèi)的彎曲角度變化；(i) 培養(yǎng)14天后條帶內(nèi)HUVECs形態(tài)的熒光圖像；(j) 培養(yǎng)14天后彎曲條帶的共聚焦三維重建圖像

研究總結(jié)：
本研究創(chuàng)新性地結(jié)合簡易的厚度調(diào)制與MXene納米片獨(dú)特的UV吸收效應(yīng)，在單一復(fù)合水凝膠材料（MX/GG） 體系內(nèi)，通過單步UV曝光實(shí)現(xiàn)了可編程梯度交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)筑。這一簡便有效的策略成功規(guī)避了傳統(tǒng)4D打印對多材料體系或復(fù)雜后處理步驟的依賴，顯著簡化了工藝流程，提升了制造效率與可擴(kuò)展性。通過控制厚度以控制局部交聯(lián)密度分布，該技術(shù)能夠驅(qū)動水凝膠結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的單向及雙向自彎曲變形，在模擬天然生物系統(tǒng)固有的多向、多尺度曲率演變方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。本研究所開發(fā)的簡便、高效4D生物打印平臺，為再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的新工具，有望廣泛用于構(gòu)建具有仿生動態(tài)特性的可編程組織工程支架，例如神經(jīng)導(dǎo)管和血管支架等。

通訊作者信息簡介：
李中（通訊作者）：香港中文大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系Vice-Chancellor Assistant Professor，InnoHK CNRM（香港科學(xué)園神經(jīng)肌肉骨骼再生醫(yī)學(xué)中心）研究員，港中大生物醫(yī)學(xué)學(xué)院、組織工程與再生醫(yī)學(xué)研究所、洪克協(xié)痛癥研究所、消化疾病研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、再生醫(yī)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（港中大-暨南大學(xué)）成員。獲工學(xué)學(xué)士（華南理工大學(xué)）、工學(xué)博士（新加坡南洋理工大學(xué)，NTU）學(xué)位，曾任美國匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院骨科系博士后、匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)系研究助理教授。專注于骨科類器官、器官芯片與再生醫(yī)學(xué)研究。已發(fā)表SCI 論文80 余篇，H 因子30。獲Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (WFIRM) Young Investigator Award、美國骨科研究學(xué)會ORS 3Rs Award 等獎項(xiàng)。

課題組主頁：https://lilabcuhk.com/

段崇智（通訊作者）：香港中文大學(xué)校利國偉利易海倫組織工程學(xué)及再生醫(yī)學(xué)教授、第八任校長，曾任港中大組織工程學(xué)及再生醫(yī)學(xué)研究所首任所長。他的研究領(lǐng)域包括細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)、干細(xì)胞、生物材料、組織工程、再生醫(yī)學(xué)、3D打印、以及器官芯片和類器官技術(shù)。段教授獲推選為中國發(fā)明協(xié)會（CAI）首屆會士，美國國家發(fā)明家學(xué)會（NAI）會士，美國解剖學(xué)家協(xié)會（AAA）會士，美國骨科研究學(xué)會（ORS）會士，美國醫(yī)學(xué)與生物工程學(xué)會（AIMBE）會士，國際聯(lián)合骨科研究學(xué)會（ICORS）會士，及國際組織工程與再生醫(yī)學(xué)學(xué)會（TERMIS）會士，以表揚(yáng)他藉創(chuàng)新和轉(zhuǎn)化研究造福社會的貢獻(xiàn)。

原文信息:
J. Lai, Z.A. Li, et al. Facile Single-nanocomposite 4D Bioprinting of Dynamic Hydrogel Constructs with Thickness-Controlled Gradient. Adv. Sci. (2025) e09449.
DOI:https://doi.org/10.1002/advs.202509449
DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202509449

相關(guān)工作：
相關(guān)文獻(xiàn)
J. Lai, Z.A. Li, et al. 4D Bioprinting of Programmed Dynamic Tissues, Bioact. Mater. (2024) 37:348-377